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二维码

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搜狗科学首页的二维码

二维码(简称快速响应码)是1994年首次为日本汽车行业设计的一种矩阵条形码(或二维条形码)的商标。条形码是一种机器可读的光学标签，它包含与所附物品相关的信息。实际上，二维码通常包含指向网站或应用程序的定位符、标识符或跟踪器的数据。二维码使用四种标准化编码模式(数字、字母数字、字节/二进制和汉字)来高效存储数据，也可以使用扩展。[1]

二维码由白色背景上以正方形网格排列的黑色正方形组成，可由照相机等成像设备读取，并使用里德-所罗门纠错进行处理，直到图像得到适当解释。然后从图像的水平和垂直组成的模式中提取所需的数据。

1 历史编辑

二维码系统是由日本电装公司在1994年发明的。其目的是在制造过程中跟踪车辆；它被设计成允许高速元件扫描。 二维码现在被广泛使用，包括商业跟踪应用和面向移动电话用户的便利应用(称为移动标签)。二维码可用于向用户显示文本、向用户设备添加电子名片联系人、打开统一资源标识符(URI)、连接到无线网络或撰写电子邮件或文本消息。有很多二维码生成器可以作为软件或在线工具使用。[2] 二维码已经成为最常用的二维码类型之一。

2 标准编辑

二维码的结构 (版本7)，突出显示了功能元素

有几种标准将数据编码为二维码:

  • 1997年10月 – 国际自动识别和移动协会[3]
  • 1999年1月 – JIS X 0510
  • 2000年6月 – 国际标准化组织/国际电工委员会18004:2000 信息技术 – 自动识别与数据捕获技术 – 条形码符号 – 二维码 (现已撤回)
    定义二维码1型和2型的符号。
  • 2006年9月1日 – 国际标准化组织/国际电工委员会18004:2006 信息技术 – 自动识别与数据捕获技术 – 二维码2005符号规范 (现已撤回)[4]
    定义二维码2005符号，二维码模型的扩展。未指定如何读取二维码1型的符号，或要求遵守此要求。
  • 2015年2月1日 – 国际标准化组织/国际电工委员会18004:2015 信息 – 自动识别和数据捕获技术 – 二维码符号规范
    将二维码2005符号重命名为二维码，并对一些程序和微小更正进行了澄清。

在应用层，大多数实现之间存在一些差异。日本的NTT DoCoMo为网址、联系信息和其他几种数据类型的编码建立了事实上的标准。[5] 开源的“ZXing”项目维护了一个二维码数据类型列表。[6]

3 使用编辑

在日本大型广告牌上使用的二维码, 链接到sagasou.mobi

二维码已经在消费者广告中普及。通常，智能手机被用作二维码扫描仪，显示代码并将其转换成某种有用的形式(例如网站的标准网址，从而避免用户将其输入浏览器)。二维码已经成为广告策略的焦点，因为它提供了一种比手动输入网址更快地访问品牌网站的方式。[7][8] 除了给消费者带来便利之外，这种能力的重要性还在于它提高了转化率:与广告的接触转化为销售。它将感兴趣的潜在客户聚集到转换漏斗的更下游，几乎没有延迟也毫不费力，让观众立即进入广告商的网站进行更长、更有针对性的推销可能会失去观众的兴趣。

虽然最初用于车辆制造中的零件跟踪，二维码的应用范围要广得多。这些包括商业跟踪、娱乐和运输票务、产品和忠诚营销以及店内产品标签。营销的例子包括使用移动应用程序二维码解码器获取公司折扣和百分比折扣，或者将公司信息(如地址和相关信息)与字母数字文本数据一起存储在黄页目录中。

它们也可以用于存储供组织使用的个人信息。这方面的一个例子是菲律宾国家调查局(NBI)，NBI的通关现在带有二维码。许多这些应用程序都是针对手机用户的(通过手机标签)。用户可以在扫描二维码后接收文本、向设备添加电子名片联系人、打开网址或撰写电子邮件或文本消息。他们可以通过访问付费或免费二维码生成网站或应用程序生成并打印自己的二维码供他人扫描和使用。谷歌有一个生成二维码的应用程序接口，现在被弃用了，[9] 几乎所有智能手机设备上都有扫描二维码的应用。[10]

2010年起，二维码已经在中国火车票上打印并使用。.[5]

存储地址和网址的二维码可能会出现在杂志、标志、公共汽车、名片或几乎任何用户可能需要信息的物体上。拥有配有正确读取应用的拍照手机的用户可以扫描二维码图像，以显示文本、联系信息、连接到无线网络或在手机浏览器中打开网页。这种从物理世界对象链接的行为被称为硬链接或对象超链接。二维码也可以链接到一个位置，以跟踪代码被扫描的位置。扫描二维码的应用程序通过使用全球定位系统和蜂窝塔三角测量（aGPS）来检索地理信息，或者二维码本身中编码的网址与位置相关联。[11] 2008年，一名日本石匠宣布计划在墓碑上刻下二维码，允许游客查看死者的信息，并让家人跟踪探访情况。[12] 心理学家理查德·怀斯曼是第一批将二维码包含在书中的作者之一 《Paranormality: Why We See What Isn't There》 (2011年)。[13]

二维码已被纳入货币。2011年6月荷兰皇家铸币厂(Koninklijke Nederlandse Munt)发行了世界上第一枚带有二维码的官方硬币，以庆祝其目前的建筑和办公场所一百周年。硬币可以被智能手机扫描，并链接到一个包含历史事件和硬币设计内容的特殊网站。[14] 2014年，尼日利亚中央银行发行了100奈拉钞票来纪念其百年诞辰，这是第一张在其设计中纳入二维码的钞票。当使用支持互联网的移动设备进行扫描时，该代码会进入一个讲述尼日利亚百年历史的网站。[15] 2015年，俄罗斯联邦中央银行发行了100卢布纸币，纪念俄罗斯联邦吞并克里米亚。它的设计中包含一个二维码，当用一个联网移动设备扫描时，这个二维码定向到一个详细介绍纪念纸币的历史和技术背景的网站。2017年，加纳银行发行了一张5塞地纸币，以纪念加纳中央银行成立60周年，并在其设计中包含一个二维码，当使用联网移动设备进行扫描时，该二维码将定向到加纳银行的官方网站。

信用卡功能正在开发中。2016年2月20日，印度储备银行将推出同名的巴拉特二维码(Bharat QR)，这是一种由四大信用卡支付公司共同开发的通用二维码——印度国家支付公司、万事达卡、维萨卡和美国运通，他们共同经营RuPay信用卡。它还将能够在统一支付接口(UPI)平台上接受支付。[16][17]

3.1 增强现实

二维码在一些增强现实系统中用于确定物体在三维空间中的位置。[18]

3.2 移动操作系统

二维码可用于各种移动设备操作系统。运行在iOS 11和更高版本上的苹果手机[18]和一些安卓设备可以在不下载外部应用的情况下自行扫描二维码。[19]相机应用程序能够扫描并显示二维码的种类(仅在苹果手机上)以及链接(在安卓和苹果手机上)。这些设备支持网址重定向，允许二维码向设备上现有的应用程序发送元数据。许多付费或免费的应用程序都可以扫描代码并硬链接到外部网址。

3.3 资源定位符

即使在智能手机时代，网址也有助于营销转化率，但在那段时间里，面临着几个限制:广告的观众通常不得不手动输入网址，而且第一次看广告时，他们面前通常没有网页浏览器。他们很有可能会忘记以后访问该网站，懒得输入网址，或者忘记要输入网址。语义网址降低了这些风险，但并没有消除它们。随着智能手机的出现，浏览者不能立即访问网站的问题已经变得不那么重要的，但是输入网址的麻烦仍然存在，因此二维码被用来重定向到网址以便即时访问。

3.4 虚拟商店

根据一项研究，在2011年6月，1400万移动用户扫描了二维码或条形码。约58%的用户在家中扫描二维码或条形码，39%的用户在零售店扫描。1400万用户中有53%是18至34岁的男性。[20] “虚拟商店”格式二维码的使用始于韩国、[21]阿根廷，[22] 但目前正在全球扩张。[23] 沃尔玛、宝洁和伍尔沃斯已经采用了虚拟商店的概念。[24]

3.5 二维码支付

二维码可用于存储银行账户信息或信用卡信息，也可专门设计用于特定的支付提供商应用程序。二维码支付在世界各地有几种试用应用。[25][26]在像印度和中国这样的发展中国家，二维码支付是一种非常流行和方便的支付方式。

2012年11月，捷克银行协会引入并认可了支付信息开放格式 — 一种短期支付描述符作为二维码支付的官方本地解决方案，从而在捷克共和国大规模部署二维码支付。[27] 2013年，欧洲支付委员会为欧洲总承包二维码提供了指导方针，允许在欧元区内启动SCT。

二维码通常用于密码货币领域，特别是那些基于比特币并包含比特币的货币。[28] 支付地址、密钥和交易信息通常以这种方式在数字钱包之间共享。[29]

3.6 网站登录

二维码可用于登录网站:二维码显示在电脑屏幕的登录页面上，当注册用户用验证过的智能手机扫描时，他们将自动登录。身份验证由连接服务器的智能手机执行。谷歌在2012年1月测试了这种登录方法。[30]

3.7 WiFi网络登录

通过指定SSID、加密类型、密码/通行短语，以及SSID是否隐藏，移动设备用户可以快速扫描和加入网络，而无需手动输入数据。[31] 请注意，该技术仅适用于指定静态SSID密码(即PSK)；动态用户凭证(即企业/802.1x)不能以这种方式编码。

编码字符串的格式是:

WIFI:S:<SSID>;T:<WPA|WEP|>;P:<password>;H:<true|false|>;

字段的顺序无关紧要。特殊字符“"”(引号)，";"(分号), “,”(逗号)和“:”(冒号)应用反斜杠(" \ ")转义，就像MECARD编码一样。例如，如果SSID是 "foo;bar\baz"，引号是字面SSID名称本身的一部分，它将被编码为: WIFI:S:\"foo\;bar\\baz\";;[32]

截至2018年1月，苹果手机在iOS 11.x下的相机应用程序中内置了这一功能。安卓用户可能在该设备的股票应用程序中内置了这一功能(例如三星GalaxyS8/S8+/Note8用户可以启动股票浏览器，点击浏览器的3点菜单，然后选择“扫描二维码”)，或者可以安装几个可用的免费应用程序之一，如“条形码扫描仪”或“二维码机器人”来执行二维码无线连接。

3.8 葬礼用途

2008年，日本山梨县石野县开始出售由信息技术设计公司(IT DeSign)生产的带有二维码的墓碑，二维码指向死者的虚拟墓地。[33][34][35]其他公司如威斯康星的交互式墓碑已经开始在墓碑中实施二维码。[36]2014年，乌拉圭拉巴斯犹太墓地开始使用墓碑二维码。[37]

3.9 TOTP用途

二维码也用于扫描TOTP密码，生成基于时间的一次性密码。

3.10 加密

底部带有二维码的日本移民许可证。二维码内容已被加密。

加密二维码并不常见，但有一些应用。例如，有一个安卓应用程序[38]使用数据加密标准算法管理二维码的加密和解密。[39]

另一个例子是日本移民系统在护照的入境许可印章上使用加密二维码。[40][41]

3.11 电子游戏

流行的视频游戏，例如Fez, 塔罗斯原则，和看门狗，将二维码作为故事和/或游戏元素。[42][43]

3.12 忠诚度计划

有忠诚度计划的各种零售店都使用二维码。通常，这些程序是用户可以下载到手机上的应用程序，并带有扫描二维码的功能，二维码打印在购买时收到的收据上，用户只需扫描二维码就可以获得奖励积分。

4 设计编辑

与旧的一维条形码不同，一维条形码被设计成由窄光束进行机械扫描，二维码由二维数字图像传感器检测，然后由编程处理器进行数字分析。处理器在二维码图像的角上定位三个特殊的正方形，在第四个角附近使用较小的正方形(或多个正方形)来标准化图像的大小、方向和视角。然后将二维码中的小点转换成二进制数，并用纠错算法进行验证。

4.1 存储

二维码符号中可以存储的数据量取决于数据类型(模式，或输入字符集)，版本(1，...，40，表示符号的总尺寸，即每侧4 ×版本号+ 17 个点)，以及纠错级别。最大存储容量为版本40和纠错级别L(低级别)，由40-L表示:[44][44]

最大字符存储容量 (40-L)      
字符 指输入模式/数据类型的个体值
输入模式 最大字符数 比特/字符 可能出现的字符，默认编码方式
仅数字 7,089 3⅓ 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
字母、数字 4,296 5½ 0–9, A–Z (upper-case only), space, $, %, *, +, -, ., /, :
二进制/字节 2,953 8 ISO 8859-1
汉字/假名 1,817 13 Shift JIS X 0208

以下是一些二维码符号示例:

  • 版本1 (21×21)。内容: "Ver1"

  • 版本2 (25×25)。内容: "Version 2"

  • 版本 3 (29×29)。内容: "Version 3 QR Code"

  • 版本4 (33×33)。内容: "Version 4 QR Code, up to 50 char"

  • 版本10 (57×57)。内容: "VERSION 10 QR CODE, UP TO 174 CHAR AT H LEVEL, WITH 57X57 MODULES AND PLENTY OF ERROR-CORRECTION TO GO AROUND. NOTE THAT THERE ARE ADDITIONAL TRACKING BOXES"

  • 版本25 (117×117 enlarged to 640x640)

  • 版本40 (177×177)。内容: 描述二维码的ASCII文本的1264个字符

4.2 纠错

损坏但仍可解码的二维码，链接至http://en.m.wikipedia.org

具有艺术效果的二维码示例，得益于纠错，仍能正确扫描

码字长度为8位，使用里德-所罗门纠错算法，具有四个纠错级别。纠错级别越高，存储容量越小。下表列出了四个级别的近似纠错能力：

L级别 (低) 可以恢复7%的代码字
M级别 (中) 可以恢复15%的代码字
Q级别 (四分之一)[45] 可以恢复25%的代码字
H级别 (高) 可以恢复30%的代码字

在较大的二维码中，信息被分解成几个里德-所罗门码块。块的大小被选择为可以使每个块最多可以纠正15个错误；这限制了解码算法的复杂性。然后，代码块交错在一起，使得二维码元的局部损坏不太可能超过任何单个块的容量。

由于纠错的存在，创建仍然能够正确扫描的艺术二维码是可能的，但是其中包含故意的错误图案，以使它们对人眼更可读或更有吸引力，并且将颜色、徽标和其他特征结合到二维码块中。[46][47]

通过操纵底层的数学结构来设计艺术二维码而不降低纠错能力也是可能的。[48][49]

4.3 编码

格式信息记录两件事：纠错级别和用于符号的掩码图案。掩码用于分解数据区域中可能会混淆扫描仪的图案，例如大空白区域或看起来像定位器标记的误导性特征。掩码团在网格上定义，网格根据需要重复绘制以覆盖整个符号。对应于掩码黑暗区域的模块被反转。利用BCH码使格式信息免于出错，每个二维码符号中包含两个完整的副本。[50]

消息数据集以之字形从右向左放置，如下所示。在较大的符号中，这由于对准图案的存在和多个交错纠错块的使用而变得复杂。

  • 格式信息的含义

  • 信息在二维码符号中的意义

  • 显示交错块的更大的符号

二维码编码的一般结构是4位指示符序列，有效载荷长度取决于指示符模式(例如字节编码有效载荷长度取决于第一个字节)。[50]

模式指示符 描述 典型结构 '[ 类型 : 以位为单位的大小 ]'
0001 数字 [0001 : 4] [ 字符数指示符 : 变量 ] [ 数据比特流 : 10 × 字符数 ]
0010 字母、数字 [0010 : 4] [ 字符数指示符 : 变量 ] [ 数据比特流 : 11 × 字符数 ]
0100 字节编码 [0100 : 4] [ 字符数指示符 : 变量 ] [ 数据比特流 : 8 × 字符数 ]
1000 汉字编码 [1000 : 4] [ 字符数指示符 : 变量 ] [ 数据比特流 : 13 × 字符数 ]
0011 结构附加 [0011 : 4] [ 符号位置 : 4 ] [ 符号总数: 4 ] [ 奇偶校验 : 8 ]
0111 ECI [0111 : 4] [ ECI 分配编号 : 变量 ]
0101 第一位上的FNC1 [0101 : 4] [ 数字/字母/字节/汉字 有效载荷 : 变量 ]
1001 第二位上的FNC1 [1001 : 4] [ 应用指示符 : 8 ] [ 数字/字母/字节/汉字 有效载荷 : 变量 ]
0000 消息结尾 [0000 : 4]

注意：
  • Character Count Indicator depends on how many modules are in a QR code (Symbol Version).
  • ECI 分配编号大小:
    • 8 × 1 bits if ECI Assignement Bitstream starts with '0'
    • 8 × 2 bits if ECI Assignement Bitstream starts with '10'
    • 8 × 3 bits if ECI Assignement Bitstream starts with '110'

四位指示器用于选择编码模式和传达其他信息。

编码模式
指示符 含义
0001 数字编码 （每三个符10比特）
0010 字母编码 （每两个字符11比特）
0100 字节编码 （每个字符8比特）
1000 汉字编码 （每个字符13比特）
0011 结构附加 （用于在多个二维码符号间拆分消息）
0111 扩展通道解释 （选择备用字符集或编码方式）
0101 第一位的FNC1 （有关信息请参阅Code 128）
1001 第二位的FNC1
0000 消息结尾 （终端符号）

编码模式可以根据需要在二维码元内混合。(例如，具有长串字母数字字符的url)

[ 模式指示符 ][ 模式比特流 ] --> [ 模式指示符 ][ 模式比特流 ] --> etc... --> [ 0000 消息结尾 (终结符号) ]

在选择编码模式的每个指示符之后是一个长度字段，该字段指示在该模式下编码了多少字符。长度字段中的位数取决于编码和符号版本。

长度字段中的位数 (字符计数指示符)
编码 版本 1–9 10–26 27–40
数字 10 12 14
字母 9 11 13
字节 8 16 16
汉字 8 10 12

字母数字编码模式比字节模式能更紧凑地存储消息，但不能存储小写字母，并且只能选择有限的标点符号，这对于基本的网址来说是足够的。两个字符通过以下公式编码为11位值:

V = 45 × C 1 + C 2

有一个例外，即奇数长度的字母数字字符串中的最后一个字符会被读取为6位值。

字母数字字符代码
代码 字符 代码 字符 代码 字符 代码 字符 代码 字符
00 0 09 9 18 I 27 R 36 Space
01 1 10 A 19 J 28 S 37 $
02 2 11 B 20 K 29 T 38 %
03 3 12 C 21 L 30 U 39 *
04 4 13 D 22 M 31 V 40 +
05 5 14 E 23 N 32 W 41 –
06 6 15 F 24 O 33 X 42 .
07 7 16 G 25 P 34 Y 43 /
08 8 17 H 26 Q 35 Z 44 :

4.4 解码示例

以下图片提供了二维码的更多信息。

  • 1 — 介绍

  • 2 — 结构

  • 3 — 布局 & 编码

  • 4 — 级别 & 掩码

  • 5 — 协议

5 变体编辑

5.1 微型二维码

微二维码是二维码标准的较小版本，适用于符号大小受限的应用。微型二维码有四种不同的版本(尺寸)：最小的是11×11模块；最大的可以容纳35个数字字符。[51]

  • 微型二维码示例

  • 微型二维码功能区

  • 1型二维码示例

  • 1型二维码功能区

5.2 IQR码

IQR码是电装公司开发的现有二维码的替代品。IQR码可以以正方形或矩形的形式创建；这适用于矩形条形码更合适的情况，例如圆柱形物体。IQR码可以在30%的空间内容纳同样数量的信息。方形IQR码有61种版本，矩形码有15种版本。对于正方形，最小尺寸为9x9模块；矩形至少有19x5模块。IQR码增加了纠错等级，允许50%的纠错。[52] IQR码尚未获得国际标准化组织的规范，只有电装专有产品才能创建或读取IQR电码。[53]

5.3 SQRC

安全快速响应码(SQRC)是一种二维码，它在终止符之后包含一个“私有数据”字段，而不是指定的填充字节“ec 11”。[54]这个私有数据段必须用加密密钥解密。这可以用来存储私人信息和管理公司的内部信息。[55]

5.4 Frame QR

FrameQR码是一种带有“画布区域”的二维码，可以灵活使用。该代码的中心是画布区域，在这里可以灵活地排列图形、字母等，从而可以在不丢失插图、照片等设计的情况下布局代码。[56]

1型二维码 是规范的旧版本。它在视觉上类似于广为人知的2型代码，但缺少对齐图案。

6 许可编辑

只要用户遵守JIS或国际标准化组织记录的二维码标准，二维码技术的使用是免费许可的。非标准化代码可能需要特殊许可。[57]

电装公司拥有许多二维码技术的专利，但选择以有限的方式行使这些专利。[57] 为了促进电装公司技术的广泛应用，电装选择放弃其拥有标准化代码的关键专利的权利。[58] 在美国，授予的二维码专利是US 5726435，在日本是JP 2938338。欧洲专利局授予电装公司专利 "EPO 0672994".，其后被认证为法国、英国和德国专利，所有这些专利都于2015年3月到期。[58]

文本二维码本身是电装公司的注册商标和文字标志。[59] 在英国，该商标注册为E921775，即“二维码”，申请日为1998年9月3日。[60] 该商标的英国版本基于电装株式会社（DENSO CORPORATION）商标，于1998年9月3日注册为商标000921775，即“二维码”，并于1999年12月6日向欧盟OHIM办事处(内部市场协调办公室)注册。[61]“二维码”一词的美国商标编号是商标2435991，于1998年9月29日提交，修改后的注册日期为2001年3月13日，并转让给电装公司。[62]

7 风险编辑

普通二维码能够携带可执行数据的唯一上下文是网址数据类型。这些网址可能包含JavaScript代码，这些代码可用于利用主机系统上的应用程序（如阅读器、网络浏览器或图像查看器）中的漏洞，因为阅读器通常会将数据发送到与二维码所使用的数据类型相关联的应用程序。

在没有软件漏洞的情况下，恶意二维码与许可阅读器相结合仍然会危及计算机内容和用户隐私。这种做法被称为“标签攻击”，这是“标签攻击”的一个组合词。[63]它们很容易创建，可以附加在合法的二维码上。[64] 在智能手机上，读者的权限可能允许使用摄像头、完全访问互联网、读取/写入联系数据、全球定位系统、读取浏览器历史记录、读取/写入本地存储和全局系统更改。[65][66][67]

风险包括通过浏览器漏洞链接到危险的网站，启用麦克风/摄像机/全球定位系统，然后将这些信息传输到远程服务器，分析敏感数据(密码、文件、联系人、交易)，[68]作为僵尸网络的一部分发送电子邮件/短信/即时消息或分布式拒绝服务包，破坏隐私设置，窃取身份，[69]甚至包含恶意逻辑本身，如JavaScript[70]或者病毒。[71][72]当用户只看到阅读器打开一个看似无害的网页时，这些动作可能发生在后台。[73]在俄罗斯，一个恶意二维码导致扫描它的手机发送付费短信，每条收费6美元。[63]

8 扩展编辑

高质量彩色二维码样本：（a）4色HCC2D代码 （b）八色HCC2D代码

研究人员提出了一种新的高容量彩色二维(HCC2D)码，它建立在二维码的基础上，以保持二维码对失真的健全性，并使用颜色来增加数据密度（目前它仍处于原型制作阶段）。Querini等人对CC2D代码规范中有详细描述（2014年），[74]同时Querini和Italiano详细描述了C2D码元的颜色分类技术（2014年），[75]这是Querini和Italiano（2013）的扩展版本。[76]

将颜色引入二维码需要解决额外的问题。特别是在二维码读取期间仅考虑了亮度信息，而HCC2D码必须在解码阶段处理彩色失真。为了确保适应每一个扫描代码中出现的色彩失真，HCC2D代码利用了一个附加的字段：调色板图案。这是因为调色板图案的颜色单元应该与编码区域的颜色单元以相同的方式失真。复制调色板用于训练机器学习分类器。

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